ЛАЗЕРНАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПРИЕМНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2023 года по МПК G01S17/02 G03H1/08 

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для регистрации голограмм космических объектов. Регистрация голограмм осуществляется с целью получения наиболее полной информации о наблюдаемом объекте и воспроизведения с полученной голограммы объемного изображения наблюдаемого объекта для его дальнейшего изучения. Предлагаемая лазерная голографическая приемная система может быть использована в качестве приемного устройства в составе лазерной локационной системы и в системах наблюдения за космическими объектами в космическом пространстве.

Важной проблемой современной космонавтики является наличие в околоземном пространстве различных остатков космических аппаратов и их элементов, которые могут представлять опасность для действующих и используемых спутников Земли и эксплуатируемых космических аппаратов. Для своевременного очищения околоземного космического пространства от оставшихся не используемых космических аппаратов и их элементов (космического мусора) необходимо иметь информацию о размерах, форме этих объектов космоса для решения вопроса о методах их удаления или разрушения до мелкодисперсной фракции. Получение голограмм таких нежелательных космических объектов позволит получить о них более полную информацию, включающую объемное изображение. Аналогично для Земли и космических аппаратов представляют опасность различные астероиды, которые могут нанести вред при непосредственном столкновении с Землей и действующими космическими аппаратами. Поэтому получение голограмм астероидов и других естественных космических объектов также представляет интерес с целью их более полного изучения. В настоящее время техника голографии хорошо развита и обеспечивает получение голограмм фиксированных неподвижных объектов в земных условиях. Однако для регистрации голограмм в условиях космического пространства необходимо иметь аппаратуру, обеспечивающую регистрацию голограмм удаленных космических объектов при малом уровне принимаемого отраженного от космического объекта оптического сигнала. В настоящее время такой голографической аппаратуры не существует. Предлагаемое изобретение позволяет решить указанную проблему регистрации голограмм в условиях космического пространства. Предлагаемая лазерная приемная голографическая система предназначена для получения голограмм космических объектов, подсвеченных специальным лазерным генератором - лазерным передатчиком, входящим в состав лазерной локационной системы и не входящим в состав предлагаемой приемной системы. Для получения качественной голограммы используется специальный двухкаскадный лазерный усилитель, обеспечивающий необходимую высокую чувствительность при регистрации голограммы.

Известно приемное устройство оптического локатора (см. [1]), содержащее импульсный лазер, телескоп, опорный канал с оптическим квантовым усилителем и объектный канал, систему формирования голограмм, блок восстановления голограмм, полуволновые устройства, блоки сравнения и управления. В данном устройстве для формирования опорного сигнала для регистрации голограммы используется оптический сигнал, выделенный из оптического излучения, отраженного от объекта. Данный сигнал имеет очень малую интенсивность, для формирования качественной голограммы, вследствие чего подвергается усилению, с помощью ОКУ. В то же время для формирования объектного сигнала используется непосредственно оптический сигнал, отраженный от объекта без усиления. Это существенно снижает чувствительность приемного устройства оптического локатора. Поэтому к недостаткам данного устройства следует отнести низкую эффективность приема сигналов, отраженных от космических объектов, вследствие низкой чувствительности при регистрации голограммы.

Известно приемное устройство оптического локатора (см. [2]), содержащее приемную оптическую систему, опорный канал с отражателем и информационный канал. К недостаткам данного устройства следует отнести его низкую чувствительность, что не позволяет регистрировать качественную голограмму и получать достоверную информацию о наблюдаемом космическом объекте. Известна голографическая установка (см. [3]), содержащая стабилизированную платформу, лазер, оптические системы формирования опорного и предметного пучка, регистратор голограммы и систему стабилизации платформы. К недостаткам данного устройства следует отнести его низкую чувствительность при регистрации голограммы и невозможность регистрации голограмм удаленных объектов.

Известно приемное устройство лазерного локатора (см. [4]), содержащее телескоп, фотоприемный блок, блок спектральных фильтров, лазерный гетеродин, блоки сдвига частоты и сканирования лазерного излучения и блок измерения частоты. Данное устройство обладает высокой чувствительностью при регистрации сигналов, отраженных от удаленных космических объектов. К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие технических элементов для регистрации голограммы наблюдаемого объекта.

Известно лазерное приемное устройство (см. [5]), содержащее приемный телескоп, фотоприемные блоки, управляемый транспарант, акустооптическую ячейку, лазерный генератор, сканирующие зеркала и блок управления. Данное устройство обладает высокой чувствительностью при приеме сигналов от удаленных космических объектов. Недостатком данного приемного устройства является отсутствие технических элементов для регистрации голограммы космического объекта.

Наиболее близким аналогом является приемное устройство лазерной локационной системы (см. [6]), содержащее приемный телескоп, лазерный усилитель - активный квантовый фильтр, фотоприемную матрицу, оптический модулятор, блок обработки информации, блок управления. Данное устройство обладает высокой чувствительностью и обеспечивает прием сигналов и формирование изображений удаленных космических объектов. К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие возможности регистрации голограмм космических объектов.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании лазерной голографической приемной системы, в которой реализуется возможность регистрации голограммы удаленного космического объекта.

При этом достигается технический результат, заключающийся в увеличении чувствительности приемной системы при регистрации голограммы космического объекта и повышении эффективности ее работы в условиях слежения за удаленными космическими объектами с земной поверхности.

Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается в результате создания лазерной голографической приемной системы, содержащей последовательно установленные на первой оптической оси оптически связанные телескоп с блоком наведения, выдвижное отражательное зеркало, первый лазерный усилитель, интерференционный светофильтр, первый динамический спектральный фильтр, первую линзу, управляемую диафрагму, вторую линзу, второй лазерный усилитель, второй динамический спектральный фильтр, и телевизионную камеру, подключенную к блоку управления, установленные на второй оптической оси оптически связанные лазерный гетеродин, второе полупрозрачное зеркало, первый управляемый ослабитель и первое отражательное зеркало, в которую введены, на первой оптической оси, выдвижное полупрозрачное зеркало и первое полупрозрачное зеркало, а также установленные на третьей оптической оси оптически связанные лазерный генератор, расширитель пучка, первый управляемый оптический транспарант, третья линза, диафрагма, четвертая линза, второй управляемый оптический транспарант, фурье-преобразующая линза и третий фотоприемный блок, а также первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый и второй блоки сканирования лазерного излучения, первый и второй фотоприемные блоки, второе, третье, четвертое и пятое отражательные зеркала, второй управляемый ослабитель и оптический затвор, при этом оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом телевизионной камеры посредством последовательно оптически связанных первого управляемого ослабителя, первого отражательного зеркала, первого блока сдвига частоты лазерного излучения, первого блока сканирования лазерного излучения и первого полупрозрачного зеркала, одновременно оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом первого лазерного усилителя посредством последовательно оптически связанных второго полупрозрачного зеркала, второго отражательного зеркала, второго управляемого ослабителя, второго блока сдвига частоты лазерного излучения, второго блока сканирования лазерного излучения, третьего отражательного зеркала и выдвижного отражательного зеркала во введенном состоянии, оптический выход первого динамического спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных выдвижного полупрозрачного зеркала во введенном состоянии, четвертого отражательного зеркала и первого объектива, оптический выход второго динамического спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом второго фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных первого полупрозрачного зеркала, оптического затвора, пятого отражательного зеркала и второго объектива, а к блоку управления также подключены первый и второй лазерные усилители, первый и второй динамические спектральные фильтры, первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый и второй блоки сканирования лазерного излучения, первый и второй управляемые ослабители, лазерный гетеродин, лазерный генератор, блоки перемещения выдвижных отражательного и полупрозрачного зеркал и первый и второй управляемые транспаранты.

В одном из частных вариантов выполнения лазерный гетеродин выполнен с возможностью перестройки частоты лазерного излучения.

В другом частном варианте выполнения первый и второй лазерные усилители выполнены с возможностью перестройки частоты усиливаемого лазерного излучения.

В еще одном частном варианте выполнения каждый из блоков сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения ультразвуковых волн, обеспечивающих изменение направления распространения проходящего через ячейку лазерного излучения.

В еще одном каждый из блоков сдвига частоты лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения ультразвуковых волн, обеспечивающих изменение частоты проходящего через ячейку лазерного излучения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой лазерной голографической приемной системы. Цифрами обозначены следующие элементы.

1. Телескоп.

2. Блок наведения.

3. Выдвижное отражательное зеркало с блоком перемещения 4.

5. Первый лазерный усилитель.

6. Интерференционный светофильтр.

7. Первый динамический спектральный фильтр.

8. Выдвижное полупрозрачное зеркало с блоком перемещения 9.

10. Первая линза.

11. Управляемая диафрагма.

12. Вторая линза.

13. Второй лазерный усилитель.

14. Второй динамический спектральный фильтр.

15. Первое полупрозрачное зеркало.

16. Телевизионная камера.

17. Блок управления.

18. Лазерный гетеродин.

19. Второе полупрозрачное зеркало.

20. Первый управляемый ослабитель.

21. Первое отражательное зеркало.

22. 24. Первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения.

23. 25. Первый и второй блоки сканирования лазерного излучения.

26. Второй управляемый ослабитель.

27, 28. Второе и третье отражательные зеркала.

29. Первый объектив.

30. Первый фотоприемный блок.

31. 33. Четвертое и пятое отражательные зеркала.

32. Оптический затвор.

34. Второй объектив.

35. Второй фотоприемный блок.

36. Лазерный генератор.

37. Расширитель пучка.

38. 42. Первый и второй управляемые оптические транспаранты.

39. 41. Третья и четвертая линзы.

40. Диафрагма.

43. Фурье-преобразующая линза.

44. Третий фотоприемный блок.

O₁-O₂ - первая оптическая ось.

O₃-O₄ - вторая оптическая ось.

O₅-0₆ - третья оптическая ось.

На фиг. 2 представлена осциллограмма импульсного лазерного сигнала после усиления в лазерном усилителе.

На фиг. 3 представлено изображение тест объекта, полученное при обработке голограммы.

Принцип действия предлагаемой лазерной голографической приемной системы заключается в следующем.

Лазерная голографическая приемная система (далее - система) осуществляет прием оптического излучения, исходящего от наблюдаемого космического объекта посредством телескопа 1. Подсвет наблюдаемого космического объекта осуществляется лазерным передатчиком, который входит в состав лазерной локационной системы в целом, а в состав предлагаемой приемной системы не входит.

С выхода телескопа 1 лазерное излучение (далее - ЛИ) поступает на оптический вход первого лазерного усилителя 5, проходит через него вдоль первой оптической оси O₁-O₂ и подвергается квантовому усилению с коэффициентом усиления К₁, определяемым режимом работы лазерного усилителя 5. Далее усиленное ЛИ, распространяясь вдоль оптической оси O₁-O₂, последовательно проходит через все оптические элементы (блоки), установленные на этой оптической оси, и далее поступает на оптический вход телевизионной камеры 16. При прохождении через оптические элементы (блоки) ЛИ подвергается следующей трансформации. Интерференционный оптический фильтр 6 осуществляет фильтрацию ЛИ, с целью подавления помеховой засветки, поступающей на вход телескопа 1. Первый динамический спектральный фильтр 7 осуществляет узкополосную фильтрацию спектра ЛИ. Первая и вторая линзы 10 и 12 совместно с управляемой диафрагмой 11 осуществляют фильтрацию пространственного спектра ЛИ. Управляемая диафрагма 11 установлена в совместном фокусе первой и второй линз 10 и 12. Далее второй лазерный усилитель 13 осуществляет дальнейшее усиление ЛИ с коэффициентом усиления К₂. После этого усиленное лазерное излучение с оптического выхода второго лазерного усилителя 13 поступает на оптический вход второго динамического спектрального фильтра 14, где подвергается спектральной фильтрации во второй раз. С оптического выхода второго динамического спектрального фильтра 14 дважды усиленное и отфильтрованное ЛИ поступает на оптический вход телевизионной камеры 16 через полупрозрачное зеркало 15.

Данное усиленное ЛИ выполняет роль объектного сигнала при формировании и регистрации голограммы. Одновременно на оптический вход телевизионной камеры 16 поступает лазерный сигнал от лазерного гетеродина 75, который генерирует оптический гетеродинный сигнал соответствующей заданной длины волны (оптической частоты).

Лазерный гетеродинный сигнал с выхода лазерного гетеродина 18 поступает на вход телекамеры 16 в результате прохождения через следующие оптически связанные элементы: второе полупрозрачное зеркало 19, первый управляемый ослабитель 20, первое отражательное зеркало 21, первый блок сдвига частоты ЛИ 22, первый блок сканирования ЛИ 23 и первое полупрозрачное зеркало 15.

Данный лазерный гетеродинный сигнал выполняет роль опорного лазерного сигнала (сигнала ЛИ) при формировании и регистрации голограммы телевизионной камерой 16. В результате взаимодействия (интерференции) на входе передающей телевизионной камеры 16 принимаемого оптического сигнала и гетеродинного сигнала образуется голограмма, которая регистрируется в телевизионной камере 16, усиливается, оцифровывается и поступает с выхода телевизионной камеры 16 на вход блока управления 17, который представляет собой специальную ЭВМ, осуществляющую обработку зарегистрированных голограмм, а также управляет работой всех элементов и блоков системы (см. фиг. 1). На этом основной цикл работы системы завершается. Полученная и обработанная голограмма передается на Землю для дальнейшего использования и изучения.

Для обеспечения данного основного цикла работы системы до собственно регистрации голограммы в телевизионной камере 16 осуществляется специальный цикл предварительной настройки системы. Далее рассмотрим этот цикл предварительной настройки системы, который обеспечивает правильное и эффективное функционирование всех элементов и блоков системы.

Как было отмечено, основным блоком системы является телевизионная камера 16, которая осуществляет прием и регистрацию голограммы наблюдаемого космического объекта. Система содержит дополнительно первый 30 и второй 35 фотоприемные блоки, которые выполняют вспомогательные функции при настройке работы системы, а в период основного цикла работы системы формируют дополнительную информацию о наблюдаемом объекте. При этом первый фотоприемный блок 30 регистрирует прямое изображение объекта, формируемое первым объективом 29 на основе светового потока, принятого телескопом 1 и усиленного в первом лазерном усилителе 5 и отфильтрованного в первом динамическом спектральном фильтре 7. Для поступления ЛИ с выхода первого динамического спектрального фильтра 7 на вход первого объектива 29 выдвижное полупрозрачное зеркало 8 устанавливается на первой оптической оси О₁-О₂ посредством блока перемещения 9. Второй фотоприемный блок 35 регистрирует прямое изображение наблюдаемого объекта, формируемое вторым объективом 34 на основе светового потока ЛИ, усиленного во втором лазерном усилителе 13 и отфильтрованного вторым динамическим спектральным фильтром 14. Данное ЛИ поступает на оптический вход второго объектива 34 через открытый оптический затвор 32 и посредством первого полупрозрачного зеркала 15 и пятого отражательного зеркала 33. Для регистрации изображения объекта вторым фотоприемным блоком 35 осуществляется перевод первого управляемого ослабителя 20 в режим полного перекрытия проходящего светового потока для предотвращения засветки оптического входа второго фотоприемного блока 35 ЛИ от лазерного гетеродина 18, или выключение лазерного гетеродина. В момент приема и регистрации голограммы в телевизионной камере 16 оптический затвор 32 переводится в закрытое состояние для предотвращения засветки второго фотоприемного блока 35 излучением лазерного гетеродина 18.

Информация об изображении объекта с выхода первого и второго фотоприемных блоков 30 и 35 необходима и используется для настройки режима регистрации голограммы в телевизионной камере 16. Настройка рабочего режима предлагаемой системы осуществляется следующим образом. Выдвижное отражательное зеркало 3 устанавливается на первой оптической оси О₁-О₂ посредством блока перемещения 4. При этом прием ЛИ от наблюдаемого объекта не осуществляется. Контрольным тест-сигналом является ЛИ лазерного гетеродина 18, которое с оптического выхода последнего поступает на оптический вход первого лазерного усилителя 5 после прохождения через следующие оптически связанные элементы и блоки: второе полупрозрачное зеркало 19, второе отражательное зеркало 27, второй управляемый ослабитель 26, второй блок сдвига частоты ЛИ 24, второй блок сканирования ЛИ 25, третье отражательное зеркало 28 и выдвижное отражательное зеркало 3 во введенном состоянии. Контрольный тест-сигнал ЛИ от лазерного гетеродина 18 имитирует сигнал лазерного излучения от космического объекта и используется далее для настройки в рабочий режим всех основных элементов и блоков приемной системы: первого и второго лазерных усилителей 5 и 13, первого и второго динамических спектральных фильтров 7 и 14, телевизионной камеры 16 и первого и второго фотоприемных блоков 30 и 35. При этом регистрация ЛИ, усиленного и отфильтрованного в первом и втором лазерных усилителях 5 и 13 и первом и втором динамических спектральных фильтрах 7 и 14 осуществляется как после первых лазерного усилителя 5 и динамического спектрального фильтра 7, так и после второго лазерного усилителя 13 и динамического спектрального фильтра 14. На оптический вход телевизионной камеры 16 поступает гетеродинное ЛИ от лазерного гетеродина 18 с установленным углом падения в первом блоке сканирования ЛИ 23.

В результате осуществляется регистрация контрольной голограммы при точном уравнивании частот ЛИ опорного и объектного пучков ЛИ на входе телекамеры 16, посредством первого и второго блоков сдвига частоты ЛИ 22 и 24. Завершением цикла настройки является точная настройка первого и второго лазерных усилителей 1 и 2 и первого и второго динамических спектральных фильтров 7 и 14 на центральную частоту полосы приема первого и второго лазерных усилителей 1 и 2, а также настройка лазерного гетеродина 18 и первого блока сдвига частоты ЛИ 22 на режим работы, при котором достигается точное совпадение частот опорного пучка ЛИ и объектного пучка ЛИ на оптическом входе телевизионной камеры 16, осуществляющей регистрацию голограммы. Информация о частоте (длине волны) полосы приема первого и второго лазерных усилителей 5 и 13 передается через блок управления 17 в центральный пульт управления лазерной локационной системой для смещения частоты генерации лазерного передатчика и компенсации доплеровского сдвига частоты приема ЛИ при наблюдении за движущимся космическим объектом. При этом доплеровский сдвиг Df частоты определяется по астрономическим наблюдениям на основании следующей формулы:

где F- частота ЛИ, излучаемого лазерным передатчиком при подсвете наблюдаемого космического объекта; v - скорость приближения или удаления наблюдаемого космического объекта по линии визирования; с - скорость света.

Для компенсации доплеровского сдвига частота ЛИ лазерного передатчика F и центральная частота полосы приема и усиления лазерного усилителя F₁ должны удовлетворять следующему соотношению:

Как было отмечено, компенсация доплеровского сдвига не входит в цикл задач, решаемых предлагаемой лазерной приемной системой, а осуществляется в лазерном передатчике лазерной локационной системы.

Рабочий цикл функционирования предлагаемой лазерной приемной системы осуществляется далее следующим образом. Осуществляется наведение телескопа 1 на наблюдаемый космический объект с помощью блока наведения 2 (по данным астрономических наблюдений). Выдвижное отражательное зеркало 5 и выдвижное полупрозрачное зеркало 8 переводятся в положение вне первой оптической оси О₁-О₂, как это показано на фиг. 1. На оптический вход телескопа 7 поступает ЛИ от наблюдаемого объекта, подсвеченного ЛИ от лазерного передатчика, входящего в состав лазерной локационной системы в целом и не входящего в состав лазерной голографической приемной системы. Лазерное излучение с выхода телескопа поступает на оптический вход первого лазерного усилителя 5. Далее осуществляется последовательное усиление ЛИ в первом лазерном усилителе 5, узкополосная фильтрация в первом динамическом спектральном фильтре 7, повторное усиление ЛИ во втором лазерном усилителе 13 и повторная узкополосная фильтрация во втором динамическом спектральном фильтре 14, после чего усиленное и отфильтрованное ЛИ поступает на оптический вход телевизионной камеры 16. Туда же поступает и лазерное гетеродинное излучение от лазерного гетеродина 18 с частотой ЛИ, установленной ранее на этапе настройки системы и точно совпадающей с центральной частотой F₁ полосы приема первого лазерного усилителя 5. Телевизионная камера 16 регистрирует голограмму наблюдаемого объекта, которая оцифровывается и поступает с выхода телекамеры 16 на соответствующий вход блока управления 17. В последнем осуществляется обработка голограммы по специальным алгоритмам, а также накопление зарегистрированных голограмм для их дальнейшей совместной обработки. Управляемая диафрагма 11 осуществляет фильтрацию фоновых помех в усиленном ЛИ. Диаметр управляемой диафрагмы 11 устанавливается блоком управления 17.

Для оперативной обработки голограммы и восстановления изображения объекта с более высокой скоростью обработки - практически в реальном масштабе времени - в предлагаемой системе используется специальный канал оптической обработки и восстановления голограмм, который состоит из оптических элементов и блоков, расположенных на третьей оптической оси O₅-O₆. Для осуществления быстрой обработки голограммы, находящейся в регистре памяти блока управления 17, с выхода последнего информация о голограмме поступает на управляющий вход первого управляемого оптического транспаранта 38. Первый управляемый оптический транспарант 38 представляет собой пространственный двумерный модулятор света (см. [13]), обеспечивающий пространственную двумерную модуляцию проходящего через него когерентного ЛИ от лазерного генератора 36 по интенсивности в соответствии с распределением интенсивности в голограмме, поступающей на управляющий вход первого оптического транспаранта 38 от блока управления 17. При этом в состав управляемого оптического транспаранта 38 входит цифроаналоговый преобразователь и блок управления собственно оптическим транспарантом. Расширенное с выхода расширителя пучка 37 ЛИ проходит через оптический транспарант 38, подвергается модуляции по интенсивности в соответствии с распределением интенсивности в голограмме. Далее модулированное сигналом голограммы ЛИ подвергается пространственной фильтрации посредством третьей 39 и четвертой 41 линз и диафрагмы 40, установленной в совместном фокусе третьей и четвертой линз 39 и 41. Данная пространственная фильтрация предусмотрена для ограничения верхних частот пространственного спектра в зарегистрированной голограмме. Далее ЛИ проходит через рабочую плоскость второго управляемого оптического транспаранта 42, который работает в режиме двумерной фазовой модуляции проходящего через него пучка ЛИ под управлением сигналов, поступающих на управляющий вход второго управляемого оптического транспаранта 42 от блока управления 17. Второй управляемый оптический транспарант 42 представляет собой пространственный двумерный модулятор света, работающий в режиме фазовой модуляции проходящего через него двумерного пучка ЛИ. Под воздействием управляющих сигналов от блока управления 17 управляемый оптический транспарант 42 вносит в проходящий через него пучок ЛИ двумерное фазовое распределение, компенсирующее помеховое фазовое распределение в голограмме, зарегистрированной телевизионной камерой 16. Далее ЛИ от второго управляемого оптического транспаранта 42 поступает на оптический вход фурье-преобразующей линзы 43. Последняя осуществляет преобразование Фурье пучка ЛИ и формирует восстановленное изображение наблюдаемого объекта на оптическом входе третьего фотоприемного блока 44, который осуществляет также усиление изображения объекта и его оцифровку. Далее информация о восстановленном изображении наблюдаемого космического объекта поступает с выхода второго фотоприемного блока 35 на соответствующий вход блока управления 17 для последующей обработки и передачи другим потребителям информации. Формирование управляющих сигналов в блоке управления 17 для второго управляемого оптического транспаранта 42 осуществляется по критерию максимизации интенсивности восстановленного с голограммы изображения, регистрируемого третьим фотоприемным блоком 44, путем введения парциальных компенсирующих сдвигов фазы в каждом отдельном модулирующем элементе (ячейки) в оптическом транспаранте 42.

На этапе формирования восстановленного изображения с голограммы в канале оптической обработки информации завершается рабочий цикл предлагаемой голографической лазерной приемной системы по регистрации голограммы удаленного космического объекта.

В предлагаемой лазерной голографической приемной системе возможна регистрация так называемой безопорной голограммы. Данный вид голограммы формируется без опорного пучка. Для этого при регистрации телевизионной камерой 16 сигнала ЛИ с выхода второго динамического спектрального фильтра 14 опорный лазерный пучок от лазерного гетеродина 18 на вход телевизионной камеры 16 не подается. Это может быть достигнуто выключением на этот момент времени лазерного гетеродина 18 или полным перекрытием проходящего светового потока в первом управляемом ослабителе 20. Для регистрации безопорной голограммы в телевизионной камере 16 нет необходимости компенсации доплеровского сдвига в принимаемом от объекта лазерном излучении. При восстановлении такой безопорной голограммы в блоке управления 17 или в канале оптической обработки информации с помощью фурье-преобразующей линзы 43 формируется осесимметричное изображение объекта - так называемая автосвертка. Данное изображение в виде автосвертки истинного изображения объекта также несет полезную информацию об объекте, позволяет определить максимальные размеры наблюдаемого объекта. Следует отметить, что безопорная голограмма и получаемое на ее основе изображение объекта в виде автосвертки не подвержено влиянию атмосферных искажений при наблюдении с земной поверхности. Дополнительно предлагаемая система позволяет получать прямое изображение наблюдаемого объекта, регистрируемое первым фотоприемным блоком 30 после усиления ЛИ в первом лазерном усилителе 5. Для непрерывного получения изображения объекта выносное полупрозрачное зеркало 8 устанавливается на первой оптической оси О₁-О₂ и выполняет роль светоделителя. При этом формирование и регистрация голограммы осуществляется параллельно телевизионной камерой 16. Вынос выдвижного полупрозрачного зеркала 8 из оптической оси O₁-O₂ предусмотрен для реализации предельной чувствительности предлагаемой системы. Регистрация изображения объекта вторым фотоприемным блоком 35 после усиления ЛИ вторым лазерным усилителем 13 предусмотрена для получения изображения объекта при реализации предельной чувствительности предлагаемой приемной системы. Для реализации этого режима работы оптический затвор 32 переводится в открытое состояние, а лазерный гетеродин 18 выключается.

Предлагаемая лазерная голографическая приемная система содержит элементы и блоки, освоенные промышленностью.

Одними из основных элементов системы являются первой и второй лазерные усилители 5 и 13. В качестве каждого из лазерных усилителей 5 и 13 в системе использован газовый лазерный усилитель на атомарном йоде фотодиссоционного типа (см. [7]), имеющий общепринятое наименование - активный квантовый фильтр. Данный лазерный усилитель имеет высокую квантовую чувствительность, узкую полосу пропускания, необходимую для формирования голограммы, высокий коэффициент усиления при сохранении фазовых соотношений в усиливаемом ЛИ, что и обеспечило успешное применение данного лазерного усилителя в системе формирования голограмм. Дополнительно данный лазерный усилитель обладает возможностью изменения частоты приема и усиления лазерного излучения, т.е. возможностью сдвига полосы приема ЛИ по частотной оси в относительно больших пределах. Подробно устройство и принцип действия и применения лазерного усилителя -активного квантового фильтра изложены в [7] и в монографии авторов (см. [8]). Данный квантовый усилитель занесен также в книгу рекордов России (см. [9], [10]). В состав каждого из лазерных усилителей входят блоки накачки и управления.

В качестве лазерного гетеродина 18 также использован лазерный йодный генератор, аналогичный лазерному усилителю по составу рабочего вещества и общему устройству (см. [7]). В состав лазерного гетеродина 18 входит оптический расширитель лазерного пучка до необходимых размеров его сечения, равных размеру фоточувствительной площадки телевизионной камеры 16.

В качестве лазерного генератора 36 использован гелий-неоновый лазер.

В качестве каждого из динамических спектральных фильтров 7 и 14 использован акустооптический видеомонохроматор (см. [11]). Данный видеомонохроматор обладает узкой полосой спектрального пропускания и предназначен для фильтрации световых пучков с большим пространственным сечением, что определяет применение данного устройства для фильтрации изображений космических объектов непосредственно с выхода приемного телескопа 1.

В качестве телевизионной камеры 16 использована современная передающая телекамера, например, ПЗС-камера с большим количеством чувствительных элементов (1000×1000).

В качестве каждого из фотоприемных блоков 30 и 35 использована высокочувствительная многоэлементная матрица полупроводникового типа или матрица фотоэлементов.

Каждый из блоков сканирования и сдвига частоты ЛИ 22 и 24 выполнен на основе акустооптической ячейки (см. [12]) и выпускается промышленностью.

Схема и принцип работы каждого из блоков сдвига частоты импульсов ЛИ 22 и 24 приведены в описании ближайшего аналога (см. [4]).

Управляемые ослабители 20 и 26, оптический затвор 32 и управляемая диафрагма 11 также выпускаются современной оптоэлектронной промышленностью. Первый и второй управляемые ослабители 20 и 26 используются для ослабления интенсивности ЛИ от лазерного гетеродина до уровня, соответствующего чувствительности телевизионной камеры 16 и первого и второго фотоприемных блоков 30 и 35.

В качестве каждого из управляемых оптических транспарантов 38 и 42 использован пространственный модулятор света с электронным цифровым управлением (см. [13]). Возможно также использование электронно-лучевой трубки с электрооптическими кристаллами (см. [14]). Данные пространственные модуляторы света могут работать в режиме амплитудной или фазовой модуляции внешним сигналом проходящего через них широкоугольного светового (лазерного) пучка. Модуляция осуществляется в реальном масштабе времени, что позволяет реализовать систему голографического телевидения.

Для фазовой модуляции светового пучка двумерным информационным сигналом можно использовать также различные рельефографические устройства, например, на основе фототермопластических приборов (см. [15]).

В качестве блока управления 17 использована современная высокопроизводительная ЭВМ, которая обеспечивает управление работой всех элементов и блоков системы, обработку зарегистрированных голограмм и изображений и, при необходимости, подготовку полученного объема информации для передачи на Землю. В настоящее время вопросы цифровой обработки голограмм и восстановления изображений хорошо разработаны в современных научных исследованиях (см. [16]). Хорошо разработаны также вопросы регистрации и передачи голограмм по телевизионному каналу (см. [17]), восстановления голограмм и их обработка различными цифровыми и оптическими средствами (см. [14]). Поэтому не существует каких-либо проблем в вопросе регистрации, обработки, восстановлении голограмм и изображений цифровыми средствами. До настоящего времени сложной проблемой была регистрация голограмм удаленных объектов, решение которой предложено в настоящем изобретении. Основной проблемой при регистрации голограмм, в том числе, удаленных космических объектов, является проблема реализации высокой чувствительности аппаратуры, регистрирующей голограмму. Это обусловлено тем, что голограмма любого объекта представляет собой расфокусированное изображение объекта. Поэтому интенсивность оптического сигнала, приходящегося на один элемент фоточувствительной регистрирующей матрицы в голограмме, примерно на 4-5 порядков ниже, чем соответствующая интенсивность одного элемента разрешения в регистрируемом прямом изображении объекта. Этим определяется существенное уменьшение чувствительности аппаратуры при регистрации голограммы, например, в голографической телевизионной системе (см. [17]). Низкая чувствительность процесса регистрации голограммы до настоящего времени не позволяла осуществить регистрацию голограммы удаленного космического объекта. В предлагаемой системе решена проблема реализации необходимой высокой чувствительности при регистрации голограмм удаленных космических объектов. Данная задача увеличения чувствительности решена за счет применения схемы высокочувствительного узкополосного двух-каскадного лазерного усилителя и двухкаскадного динамического спектрального фильтра, которые установлены на одной оптической оси последовательно друг за другом, как это показано на фиг. 1. При этом динамический спектральный фильтр на основе акустооптической ячейки выполняет функцию невзаимного оптического устройства, так как сам обладает невзаимными оптическими свойствами. Это препятствует обратному прохождению усиленного ЛИ и позволяет исключить самовозбуждение лазерного двухкаскадного усилителя при реализации высокой чувствительности, соответствующей квантовому пределу чувствительности. Как показано в монографии авторов (см. [8]), чувствительность однокаскадного лазерного усилителя может достигать величин 10⁵-10⁶. Соответственно чувствительность двухкаскадного лазерного усилителя может достигать величин 10¹⁰, что перекрывает потери чувствительности при регистрации голограммы и позволяет обеспечить регистрацию голограмм удаленных космических объектов.

Предлагаемая лазерная приемная система может работать в режиме приема непрерывного сигнала от объекта при подсвете объекта непрерывным ЛИ лазерного передатчика. При этом телевизионная камера 16 и первый и второй фотоприемные блоки 30 и 35 работают в покадровом режиме приема оптического сигнала с характерной для этих блоков частотой смены кадров. Возможна работа приемной системы при импульсном подсвете объекта ЛИ передатчика. В этом случае все элементы и блоки системы работают в импульсном режиме, запускаемом и управляемом блоком управления 17.

Следует отметить возможность решения еще одной проблемы при использовании предлагаемой лазерной голографической приемной системы для наблюдения за удаленными космическими объектами с Земной поверхности через турбулентную атмосферу. В этом случае возникает проблема компенсации турбулентности атмосферы для обеспечения высокого разрешения при формировании изображений наблюдаемых космических объектов. Разрешающая способность систем наблюдения за космическими объектами с земной поверхности ограничена атмосферной турбулентностью, которая вносит в приходящий от объекта световой поток фазовые искажения. Основной характеристикой фазовых искажений атмосферы является размер той области в плоскости приемной апертуры приемного телескопа, в пределах которой флуктуации принимаемого светового поля являются коррелированными. Размер этой области при стандартной атмосфере в приземном слое составляет порядка: r_c=30-40 сантиметров. Если размер этой области r_c больше диаметра D_r входной апертуры приемного телескопа r_c>D_r, то реализуется угловое разрешение при наблюдении космического объекта, соответствующее данной оптической системе с диаметром апертуры телескопа D_r. Если диаметр апертуры телескопа больше размера области r_c: D_r>r_c, то угловое разрешение оптической системы оказывается хуже дифракционного разрешения данного телескопа и определяется размерами (диаметром) области r_c корреляции атмосферных флуктуаций в приземном слое атмосферы. Поэтому оптические телескопы с большими диаметрами приемной апертуры (порядка нескольких метров) обладают угловой разрешающей способностью, соответствующей приемному телескопу с диаметром апертуры, равной диаметру области корреляции r_c атмосферных флуктуаций D_r1=r_c. Таким образом, приемные телескопы с большими диаметрами неспособны обеспечить высокую угловую разрешающую способность при наблюдении за космическими объектами с земной поверхности и только увеличивают общую чувствительность приемной системы наблюдения. Поэтому для увеличения угловой разрешающей способности больших телескопов используются адаптивные оптические средства (см. [18]), обеспечивающие компенсацию фазовых искажений атмосферы в плоскости приемной апертуры телескопа (в сопряженной плоскости), обеспечивающие указанную компенсацию до регистрации собственно изображения космического объекта, т.е. обеспечивающие до детекторную компенсацию атмосферных искажений. Такие адаптивные оптические средства представляют собой различные секционированные отражательные зеркала, управляемые специальными быстродействующими устройствами перемещения или изгиба секционированных зеркал и установленные в сопряженной плоскости приемной апертуры телескопа. Однако применение этих адаптивных оптических элементов является ограниченным и малоэффективным, что обусловлено малым временем корреляции атмосферных флуктуаций т_с, которое составляет порядка нескольких миллисекунд (время «замороженности атмосферы»). За это время адаптивная оптическая до детекторная система в виде, например секционированного зеркала должна обеспечить подбор компенсирующего фазового распределения при последовательной работе каждого элемента и выборе оптимального профиля изгиба зеркала по некоторому критерию, например, максимизации интенсивности наблюдаемого изображения объекта.

Предлагаемая лазерная голографическая система обеспечивает регистрацию голограммы удаленного космического объекта при наблюдении с земной поверхности. При этом регистрируется и сохраняется информация об объемном изображении объекта, а также информация о фазовых атмосферных искажениях в плоскости апертуры телескопа 1, существовавших в момент регистрации голограммы. Далее полученная голограмма в цифровом виде поступает в блок управления 17, представляющий собой высокопроизводительную современную ЭВМ. Здесь по специальной программе до восстановления изображения наблюдаемого объекта осуществляется обработка голограммы, заключающаяся во внесении в цифровой форме компенсирующих фазовых предискажений в пространственный двумерный спектр изображения объекта, подбор компенсирующих фазовых предискажений до полной компенсации фазовых атмосферных искажений в реализации зарегистрированной голограммы. При этом не существует ограничений в плане ограниченного времени корреляции атмосферных флуктуаций, так как вся реализация атмосферных флуктуаций зарегистрирована при регистрации голограммы одновременно с информацией об изображении объекта. Существует лишь требование, чтобы длительность импульса ЛИ τ_р при регистрации голограммы не превышала времени корреляции атмосферных флуктуаций τ_с: τ_р<τ_с. Данное требование легко выполняется автоматически, так как длительность импульса ЛИ, формируемого лазерным передатчиком, составляет доли микросекунды и значительно меньше времени корреляции атмосферных флуктуаций.

Таким образом, при цифровой обработке зарегистрированной в предлагаемой системе голограммы осуществляется полная компенсация атмосферных искажений и восстановление высококачественного изображения космического объекта с угловой разрешающей способностью, соответствующей диаметру апертуры приемного телескопа D_r, значительно превышающей диаметр области корреляции атмосферных флуктуаций D_r>r_c. Таким образом, предлагаемая лазерная система обладает возможностью компенсации атмосферных искажений при использовании больших приемных телескопов без использования дорогостоящей и малоэффективной специальной адаптивной оптики.

По материалам представленной заявки на изобретение проведен цикл теоретических и экспериментальных работ, представленных в монографии авторов (см. [8]). На фиг. 2 представлен результат регистрации на фоне квантовых шумов импульсного сигнала фотоприемным блоком после усиления в лазерном усилителе - активном квантовом фильтре. Зарегистрированный импульс ЛИ содержал на входе лазерного усилителя 20 фотонов при отношении сигнал/шум равном 7, что соответствует практически предельной квантовой чувствительности, ограниченной только квантовым пределом. При этом было экспериментально доказано сохранение фазовых соотношений в усиливаемом лазерном сигнале и возможность регистрации голограммы. На фиг. 3 представлено изображение тест-объекта, полученное при обработке голограммы (см. [14]).

В предлагаемой лазерной голографической приемной системе следует выделить следующие факторы новизны.

1. Следует отметить реализацию возможности получения и регистрации голограмм удаленных космических объектов на основе использования лазерного усилителя -активного квантового фильтра - обладающего уникальными возможностями по обеспечению высокой чувствительности на уровне квантового предела, высокой помехозащищенностью при одновременном сохранении фазовой структуры усиливаемого оптического приемного сигнала. Можно отметить, что изложенная совокупность действий и элементов и блоков лазерной системы, реализующей действия, представлена впервые, обладает новизной и позволяет впервые реализовать указанный эффект регистрации голограммы удаленного космического объекта.

2. Вторым фактором можно отметить новизну собственно применения данной предлагаемой лазерной приемной системы для регистрации голограммы космического объекта и восстановления высококачественного изображения при использовании предлагаемойлазерной системы для наблюдений за космическими объектами непосредственно с земной поверхности через приземный слой атмосферы. При этом в результате регистрации голограммы фиксируется информация не только об изображении объекта, но также регистрируется информация о фазовых искажениях атмосферы в момент регистрации голограммы. При восстановлении изображения с голограммы цифровыми методами обеспечивается компенсация этих фазовых искажений и реализация высокой угловой разрешающей способности в изображении наблюдаемого объекта, соответствующая угловой разрешающей (дифракционной) способности приемного телескопа большого диаметра, превышающего диаметр зоны (области) корреляции атмосферных фазовых искажений многократно.

Одновременно реализована возможность оперативного восстановления изображения и компенсация фазовых искажений в голограмме с помощью специального канала оптической обработки информации. При этом достигаемый эффект увеличения разрешающей способности в восстановленном изображении объекта при компенсации атмосферных искажений превышает величину повышения разрешения телескопов при использовании современной сложной и дорогостоящей адаптивной астрономической оптики. Данный результат при использовании предлагаемой лазерной приемной системы также достигается впервые и не имеет аналогов в научной литературе по адаптивной оптике и системам наблюдения космических объектов.

Предлагаемая лазерная голографическая приемная система вследствие высокой эффективности и указанных свойств может найти применение в системах контроля и наблюдения космического пространства и в наземных оптических наблюдательных системах, в том числе, и для замены используемых систем адаптивной оптики.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №944437, опубл. 20.04.1995, бюл. №11.

2. Патент США №3889226, кл. 340-54.

3. Авторское свидетельство СССР №1265688, опубл. 23.10.198, бюл. №39.

4. Патент РФ №2575766, опубл. 20.02.2016, бюл. №5.

5. Патент РФ №2584185, опубл. 20.05.2016, бюл. №14.

6. Патент РФ №2152056, опубл. 27.06.2000, бюл. №18.

7. Патент РФ №2133533, опубл. 30.09.1997, бюл. №20.

8. О.Ю. Носач, С.К. Манкевич, Е.П. Орлов. Лазерная локация и космическая связь на йодных лазерах, изд. «Академик пресс», Саарбрюкен, Германия, 2015, 217 с.

9. Книга рекордов России, сертификат №00874 (2015 г.). Наибольшая помехозащищенность приема оптического сигнала. Авторы: Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П.

10. Книга рекордов России, сертификат №00875 (2015 г.). Наибольшая чувствительность приема оптического сигнала. Авторы: Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П.

11. Патент РФ №2258206, опубл. 10.08.2005, бюл. №22.

12. В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.Е. Чирков. Физические основы акустооптики, Москва, Радио и связь, 1985.

13. А.А. Васильев, Д. Касасент, И.Н. Компанец, А.В. Парфенов. Пространственные модуляторы света, Москва, Радио и связь, 1987.

14. С.К. Манкевич и др. Применение электронно-лучевой трубки в голографическом телевидении, Техника кино и телевидения, №10, 1979.

15. Ю.П. Гущо. Фазовая рельефография, Москва, Энергия, 1974.

16. Л.П. Ярославский, Н.С. Мерзляков. Цифровая голография, Москва, Наука, 1982.

17. С.К. Манкевич, И.Н. Матвеев. О чувствительности голографической телевизионной системы. Техника средств связи, серия Техника телевидения, вып. 3(17), Москва, 1979, с. 36-44.

18. М.А. Воронцов, В.И. Шмальгаузен. Принципы адаптивной оптики, Москва, Наука, 1985.

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для регистрации голограмм космических объектов. Техническим результатом является увеличение чувствительности приемной системы при регистрации голограммы космического объекта и повышение эффективности ее работы в условиях слежения за удаленными космическими объектами с земной поверхности. Регистрация голограммы удаленного космического объекта с высокой чувствительностью обеспечена за счет применения в лазерной голографической приемной системе высокоэффективного двухкаскадного лазерного усилителя, состоящего из двух лазерных усилителей. При осуществлении наблюдения за космическим объектом с поверхности Земли через слой турбулентной приземной атмосферы лазерная приемная система дополнительно обеспечивает компенсацию атмосферной турбулентности и реализацию предельной дифракционной разрешающей способности используемого телескопа за счет компенсации турбулентных искажений атмосферы в зарегистрированной голограмме при ее обработке с помощью управляемых оптических транспарантов без использования сложной и малоэффективной адаптивной оптики. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерная топографическая приемная система, содержащая последовательно установленные на первой оптической оси оптически связанные телескоп с блоком наведения, выдвижное отражательное зеркало, первый лазерный усилитель, интерференционный светофильтр, первый динамический спектральный фильтр, первую линзу, управляемую диафрагму, вторую линзу, второй лазерный усилитель, второй динамический спектральный фильтр и телевизионную камеру, подключенную к блоку управления, установленные на второй оптической оси оптически связанные лазерный гетеродин, второе полупрозрачное зеркало, первый управляемый ослабитель и первое отражательное зеркало, отличающаяся тем, что в нее введены, на первой оптической оси, выдвижное полупрозрачное зеркало и первое полупрозрачное зеркало, а также установленные на третьей оптической оси оптически связанные лазерный генератор, расширитель пучка, первый управляемый оптический транспарант, третья линза, диафрагма, четвертая линза, второй управляемый оптический транспарант, фурье-преобразующая линза и третий фотоприемный блок, а также первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый и второй блоки сканирования лазерного излучения, первый и второй фотоприемные блоки, второе, третье, четвертое и пятое отражательные зеркала, второй управляемый ослабитель и оптический затвор, при этом оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом телевизионной камеры посредством последовательно оптически связанных первого управляемого ослабителя, первого отражательного зеркала, первого блока сдвига частоты лазерного излучения, первого блока сканирования лазерного излучения и первого полупрозрачного зеркала, одновременно оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом первого лазерного усилителя посредством последовательно оптически связанных второго полупрозрачного зеркала, второго отражательного зеркала, второго управляемого ослабителя, второго блока сдвига частоты лазерного излучения, второго блока сканирования лазерного излучения, третьего отражательного зеркала и выдвижного отражательного зеркала во введенном состоянии, оптический выход первого динамического спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных выдвижного полупрозрачного зеркала во введенном состоянии, четвертого отражательного зеркала и первого объектива, оптический выход второго динамического спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом второго фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных первого полупрозрачного зеркала, оптического затвора, пятого отражательного зеркала и второго объектива, а к блоку управления также подключены первый и второй лазерные усилители, первый и второй динамические спектральные фильтры, первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый и второй блоки сканирования лазерного излучения, первый и второй управляемые ослабители, лазерный гетеродин, лазерный генератор, блоки перемещения выдвижных отражательного и полупрозрачного зеркал и первый и второй управляемые транспаранты.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней лазерный гетеродин выполнен с возможностью перестройки частоты лазерного излучения.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней первый и второй лазерные усилители выполнены с возможностью перестройки частоты усиливаемого лазерного излучения.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней каждый из блоков сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения ультразвуковых волн, обеспечивающих изменение направления распространения проходящего через ячейку лазерного излучения.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней каждый из блоков сдвига частоты лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения ультразвуковых волн, обеспечивающих изменение частоты проходящего через ячейку лазерного излучения.